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一般的超声波测距仪可用于固定物位或液位的测量,适用于建筑物内部、液位高度的测量等。
1.2.2课题研究意义
由于超声测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色等的影响,较其它仪器更卫生,更耐潮湿、粉尘、高温、腐蚀气体等恶劣环境,具有少维护、不污染、高可靠、长寿命等特点。
因此可广泛应用于纸业、矿业、电厂、化工业、水处理厂、污水处理厂、农业用水、环保检测、食品(酒业、饮料业、添加剂、食用油、奶制品)、防汛、水文、明渠、空间定位、公路限高等行业中。
可在不同环境中进行距离准确度在线标定,可直接用于水、酒、糖、饮料等液位控制,可进行差值设定,直接显示各种液位罐的液位、料位高度。
因此,超声在空气中测距在特殊环境下有较广泛的应用。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于实现实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的指标要求,因此为了使移动机器人能够自动躲避障碍物行走,就必须装备测距系统,以使其及时获取距障碍物的位置信息(距离和方向)。
因此超声波测距在移动机器人的研究上得到了广泛的应用。
同时由于超声波测距系统具有以上的这些优点,因此在汽车倒车雷达的研制方面也得到了广泛的应用。
第二章超声波的介绍及超声波测距的原理
2.1超声波介绍
2.1.1什么是超声波
声波是物体机械振动状态(或能量)的传播形式。
所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动形式。
譬如,鼓面经敲击后,它就上下振动,这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播,这便是声波。
超声波是指振动频率大于20000Hz以上的,其每秒的振动次数(频率)甚高,超出了人耳听觉的一般上限(20000Hz),人们将这种听不见的声波叫做超声波。
超声和可闻声本质上是一致的,它们的共同点都是一种机械振动模式,通常以纵波的方式在弹性介质内会传播,是一种能量的传播形式,其不同点是超声波频率高,波长短,在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性,目前腹部超声成象所用的频率范围在2∽5兆Hz之间,常用为3∽3.5兆Hz(每秒振动1次为1Hz,1兆Hz=10^6Hz,即每秒振动100万次,可闻波的频率在16-20,000HZ之间)。
超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律,与可听声波的规律没有本质上的区别。
但是超声波的波长很短,只有几厘米,甚至千分之几毫米。
与可听声波比较,超声波具有许多奇异特性:
传播特性──超声波的波长很短,通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍,因此超声波的衍射本领很差,它在均匀介质中能够定向直线传播,超声波的波长越短,该特性就越显著。
功率特性──当声音在空气中传播时,推动空气中的微粒往复振动而对微粒做功。
声波功率就是表示声波做功快慢的物理量。
在相同强度下,声波的频率越高,它所具有的功率就越大。
由于超声波频率很高,所以超声波与一般声波相比,它的功率是非常大的。
空化作用──当超声波在液体中传播时,由于液体微粒的剧烈振动,会在液体内部产生小空洞。
这些小空洞迅速胀大和闭合,会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用,从而产生几千到上万个大气压的压强。
微粒间这种剧烈的相互作用,会使液体的温度骤然升高,起到了很好的搅拌作用,从而使两种不相溶的液体(如水和油)发生乳化,且加速溶质的溶解,加速化学反应。
这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。
频率高于2×
10千赫兹的声波。
研究超声波的产生、传播、接收,以及各种超声效应和应用的声学分支叫超声学。
产生超声波的装置有机械型超声发生器(例如气哨、汽笛和液哨等)、利用电磁感应和电磁作用原理制成的电动超声发生器、以及利用压电晶体的电致伸缩效应和铁磁物质的磁致伸缩效应制成的电声换能器等。
2.1.2超声波的特性
声音是与人类生活紧密相关的一种自然现象。
当声的频率高到超过人耳听觉的频率极限(根据大量实验数据统计,取整数为20000赫兹)时,人们就会觉察不出周围声的存在,因而称这种高频率的声为“超”声。
人的听觉范围如图2-1所示。
图2-1人的听觉范围
超声波的特性有:
(1)束射特性
由于超声波的波长短,超声波射线可以和光线一样,能够反射、折射,也能聚焦,而且遵守几何光学上的所有定律。
即超声波射线从一种物质表面反射时,入射角等于反射角,当射线透过一种物质进入另一种密度不同的物质时就会产生折射现象,也就是要改变它的传播方向,两种物质的密度差别愈大,则折射率也愈大。
(2)吸收特性
声波在各种介质中传播时,随着传播距离的增加,其强度会逐渐减弱,这是因为介质要吸收掉它的部分能量。
对于同一介质,声波的频率越高,介质吸收就越强。
对于一个频率一定的声波,在气体中传播时吸收尤为历害,在液体中传播时吸收就比较弱,在固体中传播时吸收是最小的。
(3)超声波的能量传递特性
超声波之所以能在各个工业部门中得到广泛的应用,主要原因还在于比声波具有强大得多的功率。
为什么有这么强大的功率呢?
因为当声波进入某一介质中时,由于声波的作用使物质中的分子也随之振动,振动的频率和声波频率—样,分子振动的频率决定了分子振动的速度。
频率愈高速度愈大。
物资分子由于振动所获得的能量除了与分子本身的质量有关外,主要是由分子的振动速度的平方决定的,所以如果声波的频率愈高,也就是物质分子愈能得到更高的能量。
超声波的频率比普通声波要高出很多,所以它可以使物质分子获得很大的能量;
换句话来说,超声波本身就可以供给物质分子足够大的功率。
(4)超声波的声压特性
当声波进入某物体时,由于声波振动使物质分子相互之间产生压缩和稀疏的作用,将使物质所受的压力产生变化。
由于声波振动引起附加压力现象叫声压作用。
2.1.3超声波的应用
超声波在工农业生产中有极其广泛的应用。
包括超声波检测、超声波探伤、功率超声、超声波处理、超声波诊断、超声波治疗等。
超声波在工业中可用来对材料进行检测和探伤,可以测量气体、液体和固体的物理参数,可以测量厚度、液面高度、流量、粘度和硬度等,还可以对材料的焊缝、粘接等进行检查。
超声波清洗和加工处理可以应用于切割、焊接、喷雾、乳化、电镀等工艺过程中。
超声波清洗是一种高效率的方法,已经用于尖端和精密工业。
大功率超声可用于机械加工,使超声波在拉管、拉丝、挤压和铆接等工艺中得到应用。
应用在医学中的超声波诊断发展甚快,已经成为医学上三大影象诊断方法之一,与X线、同位素分别应用于不同场合,例如超声波理疗、超声波诊断、肿瘤治疗和结石粉碎等。
在农业中,可以用超声波对有机体细胞的杀伤的特性来进行消毒灭菌,对作物种子进行超声波处理,有利于种子发芽和作物增产。
此外超声波的液体处理和净化可应用于环境保护中,例如超声波水处理、燃油乳化、大气除尘等。
微波超声的重点放在微波电子器件,已经制成了超声波延迟线、声电放大器、声电滤波器、脉冲压缩滤波器等。
超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场,例如:
液位、井深、管道长度等场合。
在机器人作为一种能代替人工作业的智能机器,有着广泛的应用前景的前提下,其关键技术取决于机器人失却系统设计的精确于否。
超声波传感器以其价格低廉、硬件容易实现的优点,被广泛用用作测距传感器,实现定位以及环境建模。
超声波测距作为辅助视觉系统与其它视觉系统(如CCD图像传感器)配合使用,可实现整个视觉功能,具有自动探测前方障碍物、自动减速或刹车的功能,是未来高级小汽车和载重车辆必备的安全行驶辅助装置。
日本、美国和欧洲等各大汽车公司都已投入了相当的人力、物力开发在高级汽车上使用的防撞与安全预警系统,包括毫米雷达、CCD摄像机、GPS、和高档微机等。
2.2方案设计和选择
根据本次设计的要求,方案的选择应力求实用性强,性价比高,使用简单。
2.2.1超声波传感器
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。
超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。
因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。
2.2.2超声波传感器的原理及结构
超声波传感器是一种将其他形式的能转变为所需频率的超声能或是把超声能转变为同频率的其他形式的能的器件。
目前常用的超声传感器有两大类,即电声型与流体动力型。
电声型主要有:
1压电传感器;
2磁致伸缩传感器;
3静电传感器。
流体动力性中包括有气体与液体两种类型的哨笛。
由于工作频率与应用目的不同,超声传感器的结构形式是多种多样的,并且名称也有不同,例如在超声检测和诊断中习惯上都把超声传感器称作探头,而工业中采用的流体动力型传感器称为“哨”活“笛”。
压电式传感器属于超声传感器中电声型的一种。
探头有压电晶片、契块、接头等组成,是超声检测中最常用的实现电能和声能相互转换的一种传感器,是超声波检测装置的重要组成部分。
压电材料分为晶体和压电陶瓷两类。
属于晶体的如石英,铌酸锂等,属于压电陶瓷的有锆钛酸铅,钛酸钡等。
其具有下列的特性:
把这种材料置于电场之中,它就产生一定的应变;
相反,对这种材料施以外力,则由于产生了应变就会在其内部产生一定方向的电场。
所以,只要对这种材料加以交变电场,它就会产生交变的应变,从而产生超声振动。
因此,用这种材料可以制成超声传感器。
传感器的主要组成部分是压电晶片。
当压电晶片受发射电脉冲激励后产生振动,即可发射声脉冲,是逆压电效应。
当超声波作用于晶片时,晶片受迫振动引起的形变可转换成相应的电信号,是正压电效应。
前者用于超声波的发射,后者即为超声波的接收。
超声波传感器一般采用双压电陶瓷晶片制成。
这种超声传感器需要的压电材料较少,价格低廉,且非常适用于气体和液体介质中。
在压电陶瓷上加有大小和方向不断变化的交流电压时,根据压电效应,就会使压电陶瓷晶片产生机械变形,这种机械变形的大小和方向在一定范围内是与外加电压的大小和方向成正比的。
也就是说,在压电陶瓷晶片上加有频率为f0交流电压,它就会产生同频率的机械振动,这种机械振动推动空气等媒介,便会发出超声波。
如果在压电陶瓷晶片上有超声机械波作用,这将会使其产生机械变形,这种机械变形是与超声机械波一致的,机械变形使压电陶瓷晶片产生频率与超声机械波相同的电信号。
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振类工作的,超声波发生器内部结构如图2-2所示。
图2-2压电式超声波传感器结构
它有两个压电晶片的一个共振板,当它的两级外加脉冲信号,其频率等于压电晶片的固有振荡频率时,压电晶片将会发生共振,并带动共振板的振动,便产生超声波。
反之,如果两级间为外加电压,当共振板接收到超声波时,将压迫压电晶片作振动,将机械能转化为电信号,这时它就成为超声波传感器。
压电陶瓷晶片有一个固定的谐振频率,即中心频率f0。
发射超声波时,加在其上面的交变电压的频率要与它的固有谐振频率一致。
这样,超声传感器才有较高的灵敏度。
当所用压电材料不变时,改变压电陶瓷晶片的几何尺寸,就可非常方便的改变其固有谐振频率。
利用这一特性可制成各种频率的超声传感器。
超声波传感器的内部结构由压电陶瓷晶片、锥形辐射喇叭、底座、引线、金属壳及金属网构成,其中,压电陶瓷晶片是传感器的核心,锥形辐射喇叭使发射和接收超声波能量集中,并使传感器有一定的指向角,金属壳可防止外界力量对压电陶瓷晶片及锥形辐射喇叭的损坏。
金属网也是起保护作用的,但不影响发射与接收超声波。
2.2.3超声波传感器的频率特性
这里以本设计选用的超声波传感器TCT40-16型探头(如图2-3)为特例加以说明。
型号:
TCT40-16R/T(直径16mm)
1.标称频率(KHz):
40KHz
2.发射声压at10V(0dB=0.02mPa):
≥117dB
3.接收灵敏度at40KHz(0dB=V/ubar):
≥-65dB
4.电容量at1KHz,<
1V(PF):
2000±
30%图2-3TCT40-16型探头
TCT40-16R/T声压能级及灵敏度如图2-4
图2-4TCT40-16R/T声压能级及灵敏度
由图2-4可以看出40khz处为超声波传感器的中心频率,在此中心频率处,超声波传感器所产生的机械波最强,也就是说40khz处所产生的声压能级最高。
而在40khz两侧声压能级迅速衰减。
其频率特性曲线如图2-5所示。
图2-5TCT40-16R/T传感器的频率特性曲线
由图2-5知超声波传感器一定要使用非常接近于中心频率40khz的交流电压来激励。
2.3超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物就立即返回来,超声波接收器收到反射波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物的距离(s),即:
s=340t/2
最常用的超声测距的方法是回声探测法,超声波发射器向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时计数器开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来,超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。
超声波在空气中的传播速度为340m/s,根据计时器记录的时间t,就可以计算出发射点距障碍物面的距离s,即:
s=340t/2。
由于超声波也是一种声波,其声速V与温度有关。
表2-1一些温度下的声速值
温度(℃)
-30
-20
-10
10
20
30
100
声速(米/秒)
313
319
325
323
338
344
349
386
在使用时,如果传播介质温度变化不大,则可近似认为超声波速度在传播的过程中是基本不变的。
如果对测距精度要求很高,则应通过温度补偿的方法对测量结果加以数值校正。
声速确定后,只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。
这就是超声波测距仪的基本原理。
如图2-6所示:
超声波发射障碍物
S
H
θ
超声波接收
图2-6超声波的测距原理
(2-1)
(2-2)
式中:
L---两探头之间中心距离的一半.
又知道超声波传播的距离为:
(2-3)
v—超声波在介质中的传播速度;
t—超声波从发射到接收所需要的时间.
将(2-2)(3-)代入(3-1)中得
(2-4)
其中,超声波的传播速度v在一定的温度下是一个常数(例如在温度T=30度时,V=349m/s);
当需要测量的距离H远远大于L时,则(2-4)变为:
(2-5)
所以,只要需要测量出超声波传播的时间t,就可以得出测量的距离H.
2.4超声波测距误差分析
根据超声波测距公式L=C×
T,可知测距的误差是由发射、接收时间和温度对超声波的传播速度的影响引起的。
2.4.1影响测量精度的因素
(1)发射、接收时间对测量精度的影响及解决方案
采用TCT40-16R/T压电超声波传感器,脉冲发射由单片机控制,发射频率40KHz,忽略不计脉冲电路硬件产生的延时,可知由软件生成的起始时间对于一般要求的精度是可靠的。
对于接收到的回波,超声波在空气介质的传播过程中会有很大的衰减,其衰减成指数规律。
设测量设备基准面距被测物距离为h,则空气中传播的超声波波动方程为:
(2-6)
则超声波在传播过程中有衰减并且频率越高,衰减越快,但频率的增高有利于提高超声波的指向性。
由此知超声波回波的幅值在传播过程中衰减很大,接收到的信号的幅值可能十分小,所以想要想判断捕获到的第一个回波确定准确的接收时间,必须对收到的信号进行幅值放大及比较后才能传给单片机(AT89C51),否则不能正确的判断回波时间进而对超声波测量精度产生影响。
(2)温度对超声波的传播速度的影响及解决方案
声波在大气中传播的速度受介质的温度、密度及气体分子成分的影响,由
(2-7)
知在空气中,声速只决定于气体的温度,因此获得准确的当地气温可以有效的提高测距时的测量精度。
工程上常用的由气温估算当地声速的公式如下:
(2-8)
式中C0=331.4m/s。
在实际情况中温度每上升或者下降1℃,声速将增加或者减少0.607m/s。
由此可见温度对声速影响之大。
本设计使用软件温度补偿,采用DS18B20温度传感器,对外界温度进行测量。
第三章系统硬件设计
3.1硬件电路设计
3.1.1单片机最小系统控制模块设计与比较
方案一:
采用MSP430系列的16位单片机,它是16位控制器,具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点,但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉,使用起来并不是很方便。
因此我们决定不再使用此方案,考虑其他方案。
方案二:
采用STC51单片机控制。
STC51单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8KB的系统可编程Flash存储器。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路,能够满足题目设计的所有要求,而且我们对STC51单片机也比较熟悉,因此我们选择方案二。
3.1.2单片机实现测距的原理
单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接收回波的时间差tr,然后求出距离S=Ct/2,式中的C为超声波波速。
限制该系统的最大可测距离存在4个因素:
超声波的幅度、反射的质地、反射和入射声波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接收换能器对声波脉冲的直接接收能力将决定最小的可测距离。
为了增加所测量的覆盖范围、减小测量误差,可采用多个超声波换能器分别作为多路超声波发射/接收的设计方法。
由于超声波属于声波范围,其波速C与温度有关。
3.2系统结构设计
整体电路的控制核心为单片机AT89C51。
超声波发射和接收电路中都对相应信号进行整形及放大,以保证测量结果尽可能精确。
超声波探头接OUT口实现超声波的发射和接收。
另外还有温度测量电路测量当时的空气温度,等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整,使测量精度能够达到要求。
整体结构图包括超声波发射电路、超声波接收电路、放大电路、比较震荡电路、单片机电路、键盘输入电路、电源电路、复位电路、显示电路、温度测量电路及温度补偿电路等几部分模块组成。
超声波测距系统结构图如图3-1所示;
超声波
接收电路
放大
发射电路
比较
震荡
单片机
AT89C51
键盘
输入
复位
温度传感器
DS18B20
电源
4位LED
显示器
R40超声波传感器
T40超声波传感器
图3-1超声波测距系统结构图
单片机发出40kHZ的信号,经放大后通过超声波发射器输出;
超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大,用比较电路进行检波处理后,启动单片机中断程序,测得时间为t,用温度测量电路测量当时的空气温度,等到把数据送到单片机后使用软件对超声波的传播速度进行调整,使测量精度能够达到要求。
再由软件进行判别、计算,得出距离数并送LED显示。
用复位电路重置系统后可进行下一次测试。
3.3AT89C51单片机简介
3.3.1AT89C51单片机的功能
AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
该系列单片机引脚如图3-2所示。
图3-2AT89C51单片机
3.3.2AT89C51单片机主要特性
1)与MCS-51兼容
2)具有4K字节可编程FLASH存储器
3)寿命:
1000写/擦循环
4)数据保留时间:
10年
5)全静态工作:
0Hz-24MHz
6)三级程序存储器锁定
7)128×
8位内部RAM
8)32可编程I/O线
9)两个16位定时器/计数器
10)5个中断源
11)可编程串行通道
12)低功耗的闲置和掉电模式
13)片内振荡器和时钟电路
AT89C51提供以下标准功能:
4k字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/O口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种
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